DE2532925A1 - TORSIONAL TABOSCILLATOR - Google Patents
TORSIONAL TABOSCILLATORInfo
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Description
PAl EN IANWmLI EPAl EN IANWmLI E
I EH MLLiH - MÜLLER - STEINMEISTERI EH MLLiH - MÜLLER - STEINMEISTER
D-aOOO München 22 D-48OO BielefeldD-aOOO Munich 22 D-48OO Bielefeld
IniUUruUe 4 Siekerwali 7IniUUruUe 4 Siekerwali 7
Case W-81Case W-81
BULOVA WATCH COMPANY, INCBULOVA WATCH COMPANY, INC
630 Fifth Avenue New York, N.Y. / USA630 Fifth Avenue New York, N.Y. / UNITED STATES
TorsionsstaboszillatorTorsion bar oscillator
Die Erfindung betrifft einen Torsionsstaboszillator oder kurz "Torsionsoszillator", mit dem sich Vlbrationsschwingungen relativ hoher Amplitude erzeugen lassen und bezieht sich insbesondere auf einen Torsionsoszillator nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1, d.h. auf einen als optischen Abtaster verwendbaren Torsionsoszillator mit relativ großer mechanischer Bandbreite.The invention relates to a torsion bar oscillator or for short "Torsional oscillator" with which vibrational vibrations of relatively high amplitude can be generated and relates in particular on a torsional oscillator according to the preamble of claim 1, i.e. on one which can be used as an optical scanner Torsional oscillator with a relatively large mechanical bandwidth.
Es ist bereits eine ganze Anzahl optischer Vorrichtungen bekannt, die als Zerhacker, Abtaster, Ablenkeinrichtungen oder in anderer Weise zur Ablenkung oder Modulation von Licht oder anderer in Forir. eines Strahls vorliegender Energie verwendet werden. Solche optische Vorrichtungen werden beispielsweise in Massenspektrometer, Thermoumformer oder Bolometer, in Farbmeßgeräte oderA number of optical devices are already known which act as choppers, scanners, deflectors or in any other way to deflect or modulate light or other in Forir. a beam of existing energy can be used. Such Optical devices are used, for example, in mass spectrometers, thermal converters or bolometers, in color measuring devices or
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Kolorimeter, Horizontanzeigeqeräte und verschiedene andere Instrumente eingebaut, bei denen Kern-, Röntgen- oder Laserstrahlen oder auch Strahlen im sichtbaren, Ultraviolett- oder Infrarotbereich verwendet oder analysiert werden. Seit einigen Jahren besteht auch ein Bedarf für ootische Abtaster, mit denen sich ein Lichtstrahl über eine Schranke oder Sperre oder eine ähnliche Markierungsvorrichtung mit binär codierter Markierung ablenken läßt, um Signalimpulse zu erzeugen, mit denen sich verschiedene rechnersteuerbare oder einen Rechner steuernde Funktionen durchführen lassen.Colorimeters, horizon indicators, and various others Instruments installed in which nuclear, X-ray or laser rays or rays in the visible, ultraviolet or Infrared range can be used or analyzed. For some years there has also been a need for ootic scanners with which a beam of light passes over a barrier or barrier or a similar marking device with binary coded marking can deflect to generate signal pulses with which various computer-controllable or a computer-controlling Have functions carried out.
Bei bekannten optischen Vorrichtungen für diesen Zweck werden für gewöhnlich motorgetriebene Scheiben, Trommeln, Spiegel oder Prismen verwendet, die relativ schwierig zu justieren sind und/oder einen relativ hohen Energieverbrauch haben. Bekannt ist auch schon eine Vorrichtung mit einem elektromechanisch betätigbaren Anker, der in Edelsteinlagern dreh- oder schwenkbar gelagert ist und ein optisches Element trägt. Diese optischen Modulatoren sind bisher aber wenig leistungsfähig und zeigen ein unstabiles Betriebsverhalten, abgesehen von einer großen Anfälligkeit gegen Stöße oder anderweitige Erschütterungen.Known optical devices for this purpose usually use motor-driven disks, drums, mirrors or prisms are used which are relatively difficult to adjust and / or have a relatively high energy consumption. Known is also a device with an electromechanically actuated armature that can be rotated or pivoted in precious stone bearings is stored and carries an optical element. However, these optical modulators have so far not been very efficient and show an unstable operating behavior, apart from a great susceptibility to shocks or other vibrations.
Diese Nachteile bekannter mechanischer Oszillatoren vermeidet ein Resonanzoszillator mit einem Torsionsschwinger gemäß der US-PS 3 609 485. Dieser Torsionsoszillator besitzt einen aufrecht angeordneten und an seinem Fußende eingespannten Torsionsstab, der an einer nahe dem Fußpunkt liegenden Stelle elektromagnetisch erregt wird um ein an seinem freien Ende befestigtes optisches Element in hin- und hergehende Bewegung zu versetzen und zwar mit einer Bewegungsgeschwindigkeit, die durch die Resonanzfrequenz des Oszillators bestimmt ist.These disadvantages of known mechanical oscillators are avoided by a resonance oscillator with a torsional oscillator according to FIG US Pat. No. 3,609,485. This torsional oscillator has an upright torsion bar which is clamped at its foot end, which is electromagnetically excited at a point close to the base point around a point attached to its free end to put the optical element in a reciprocating motion at a speed of motion that is determined by the resonance frequency of the oscillator is determined.
Da das Verhältnis des Verdreh- oder Schwingwinkels am freien Ende des Stabs in Bezug auf den Schwingwinkel im Antriebspunkt vom Abstand zwischen dem Antriebspunkt und dem freien Stabende relativ zum kürzeren Abstand zwischen dem Antriebspunkt und dem Fußpunkt des Stabs abhängt, wird die Auslenkung des optischen Elements amSince the ratio of the angle of twist or oscillation at the free end of the rod in relation to the angle of oscillation at the drive point from Distance between the drive point and the free end of the rod relative to the shorter distance between the drive point and the base point of the rod depends, the deflection of the optical element on
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freien Stabende erheblich verstärkt.the free end of the rod is considerably reinforced.
hei dor Anordnung nach dem genannten US-Patent treten jedoch praktische Schwierigkeiten auf, wenn die Antriebsimpulse zur Betätigung den Stabs durch eine externe Leistungsquelle geliefert werden. Ist die Wiederholungsperiode, d.h. die Frequenz der das Antriebssignal liefernden Leistungsquelle sehr stabil und entsnricht der natürlichen oder Eigenfrequenz des Torsionsstabs, so ergibt sich eine normal große Schwingungsamplitude am freien Ende. Diese Schwingungsamplitude wird jedoch stark beeinflußt durch Änderungen der Umgebungstemperatur, die die Resonanzfrequenz des Stabs verändert.hot dor arrangement according to the said US patent occur, however practical difficulties arise when the drive pulses to Actuation of the rod supplied by an external power source will. The repetition period, i.e. the frequency of the power source supplying the drive signal, is very stable and corresponds to the natural or natural frequency of the torsion bar, this results in a normally large oscillation amplitude at the free end. However, this vibration amplitude becomes strong influenced by changes in ambient temperature which changes the resonance frequency of the rod.
Ein Torsionsstab ist ein mechanischer Resonator, dessen Eigenfrequenz bestimmt ist durch seine Abmessungen und den Young'sehen Elastizitätsmodul. Die mechanische Bandbreite oder Dämpfungskurve eines Torsionsstabs hängt ab vom Qualitätsfaktor, dem sogenannten η-Wert. Die Bandbreite ist umso schmäler oder die Resozanzkurve umso schärfer ansteigend und spitzer, je höher der O-Wert liegt. Dies bedeutet, daß ein Torsionsstaboszillator mit hohem Q-Wert mit gutem Wirkungsgrad auf solche Antriebsimpulse anspricht, deren Folge oder Frequenz genau der Eigenfrequenz des Stabs entspricht. Die Ansprechcharakteristik fällt jedoch scharf ab, wenn die Eigenfrequenz von der Frequenz der Antriebsimpulse abweicht oder wenn die Frequenz der Antriebsimpulse gegenüber der Eigenfrequenz des Oszillators unterschiedlich ist.A torsion bar is a mechanical resonator whose natural frequency is determined by its dimensions and Young's vision Modulus of elasticity. The mechanical bandwidth or damping curve of a torsion bar depends on the quality factor, the so-called η value. The bandwidth is narrower or the resonance curve is sharper and sharper, the higher the O value lies. This means that a torsion bar oscillator with high Q value with good efficiency on such drive pulses responds whose sequence or frequency corresponds exactly to the natural frequency of the rod. However, the response characteristic drops sharply when the natural frequency deviates from the frequency of the drive pulses or when the frequency of the drive pulses is opposite the natural frequency of the oscillator is different.
Besteht eine stabile Quelle für die Antriebsimpulse und treten Abweichungen der Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators mit hohem Q-Wert von dem bestimmten Frequenzwert aufgrund von Temperaturänderungen auf, die die Abmessungen des Torsionsstabs beeinflussen, so fällt die Amplitude der Stabschwingungen ganz beträchtlich ab. Ist andererseits die Quelle der Antriebsimpulse nicht geregelt, so daß die Wiederholungsfolge der Impulse etwas von der zugeordneten Oszillatorfrequenz abweicht, so ergibt sich ebenfalls ein scharfer Abfall der Amplitude, der durch den Grad der Abweichung bestimmt ist.If there is a stable source for the drive pulses and there are deviations in the natural frequency of the mechanical oscillator high Q value from the determined frequency value due to temperature changes affecting the dimensions of the torsion bar, so the amplitude of the rod oscillations drops quite considerably. On the other hand, it is the source of the drive impulses not regulated, so that the repetition sequence of the pulses deviates somewhat from the associated oscillator frequency, so it results also a sharp drop in amplitude, which is determined by the degree of deviation.
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Da mithin der in der erwähnten US-PS beschriebene, hoch selektive Torsionsstaboszillator eine starke Winkelempfindlichkeit aufweist, wenn er durch eine externe Leistungsquelle gespeist ist, deren Frequenz beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen Abweichungen unterworfen ist, läßt sich ein solcher Oszillator nur in beschränktem Umfang mit gutem Wirkungsgrad betreiben.Since, therefore, the highly selective one described in the aforementioned US Pat Torsion bar oscillator has a strong angle sensitivity, if it is fed by an external power source, its frequency due to temperature changes, for example Subject to deviations, such an oscillator can only be operated to a limited extent with good efficiency.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Torsionsstaboszillator zu schaffen, der bei verhältnismäßig niedrigem Q-Wert eine große mechanische Bandbreite aufweist, so daß die Frequenzabhängigkeit oder Frequenzselektivität des Oszillators in Bezug auf das Antriebssignal verkleinert ist und der Oszillator gleichwohl mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann, selbst wenn die Frequenz des Antriebssignals von der Eigenfrequenz des mechanischen Oszillators abweicht.The invention is therefore based on the object of a torsion bar oscillator to create, which has a large mechanical bandwidth at a relatively low Q value, so that the Frequency dependence or frequency selectivity of the oscillator with respect to the drive signal is reduced and the oscillator can nevertheless be operated with good efficiency, even if the frequency of the drive signal depends on the natural frequency of the mechanical oscillator deviates.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe ist durch de Merkmale des Patentanspruchs 1 angegeben, für die vorteilhafte Weiterbildungen in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.The inventive solution to this technical problem is given by de features of claim 1 are denoted for the advantageous developments in subclaims.
Der Oszillator kann mit einer Signalquelle betrieben werden, die keinen besonderen Präzisionsanforderungen unterliegt. Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Amplitude der mechanischen Schwingungen in etwa gleicher Höhe aufrechterhalten bleibt, unabhängig von irgendwelchen Abweichungen der Frequenz des Antriebssignals von dem zugeordneten Wert. Liegt andererseits eine hochstabile Signalquelle vor, weicht jedoch die Eigenresonanzfrequenz des Oszillators vom zugeordneten Nennwert ab, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, so gilt auch für diesen Fall, daß die Amplitude der mechanischen Schwingungen aufrechterhalten bleibt. Der Torsionsstaboszillator mit niedrigem Q-Wert ermöglicht also einen zuverlässigen Betriebseinsatz, auch unter Bedingungen, bei denen ein Oszillator mit hohem Q-Wert ausfallen würde.The oscillator can be operated with a signal source that is not subject to any particular precision requirements. He draws are characterized by the fact that the amplitude of the mechanical vibrations is maintained at approximately the same level, independently of any deviations in the frequency of the drive signal from the assigned value. On the other hand, there is a highly stable Signal source before, but the natural resonance frequency of the oscillator deviates from the assigned nominal value, for example due to of temperature changes, it is also true in this case that the amplitude of the mechanical vibrations is maintained. The torsion bar oscillator with a low Q value therefore enables reliable operation, even under conditions with which a high Q oscillator would fail.
Der Stab wird durch einen Motor in Torsionsschwingungen versetzt, der einen Anker aufweist, der an einem nahe der Einspannstelle, also der Basis des Stabs liegenden Punkt mit dem Stab verbunden ist und mit einem Elektromagneten zusammenwirkt. DerThe rod is set in torsional vibrations by a motor which has an armature which is attached to a so the base of the rod lying point is connected to the rod and interacts with an electromagnet. Of the
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Motor wird durch einen Antriebssignalgenerator erregt, dessen Frequenz im wesentlichen der Eigenfrequenz des Oszillators entsoricht. Um den Oszillator zu dämpfen, ist der Stab so dimensioniert, daß der oberhalb des Ankerbefestigungspunkt liegende Abschnitt eine Federkonstante besitzt, die annähernd derjenigen des unterhalb dieses Punkts liegenden Abschnitts entspricht. Um die mechanische Schwingungsamplitude zu stabilisieren, ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, ein Steueroder Regelsignal von dem Stab selbst als Funktion der Schwingungsamplitude abzuleiten, das dem Signalgenerator zugeführt wird und diesen hinsichtlich der Amplitude des abgegebenen Antriebssignals regelt.Motor is excited by a drive signal generator whose Frequency is essentially the natural frequency of the oscillator. To dampen the oscillator, the rod is dimensioned so that the one above the anchor point Section has a spring constant which corresponds approximately to that of the section lying below this point. Around to stabilize the mechanical oscillation amplitude is provided in a further development of the inventive concept, a control or Derive control signal from the rod itself as a function of the oscillation amplitude, which is fed to the signal generator and regulates it with regard to the amplitude of the output drive signal.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform erläutert. Es zeigen:The invention and advantageous details are described below with reference to the drawing in an exemplary embodiment explained. Show it:
Fig. 1 die Perspektivansicht eines Torsionsoszillators mit erfindungsgemäßen Merkmalen;Fig. 1 is a perspective view of a torsional oscillator with the invention Features;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht des Oszillators; Fig. 3 die Seitenansicht des Oszillators;Fig. 2 is a partial sectional view of the oscillator; 3 shows the side view of the oscillator;
Fig. 4 die schematische Anordnung der magnetischen beziehungsweise elektrischen Kreise für den Oszillator;Fig. 4 shows the schematic arrangement of the magnetic respectively electrical circuits for the oscillator;
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Verstärkungswirkung der Schwingbewegung des Torsionsstabs; 5 shows a schematic representation to illustrate the reinforcing effect of the oscillating movement of the torsion bar;
Fig. 6 eine schematische Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Dämpfungswirkung auf den Torsionsstab und6 shows a schematic illustration of the damping effect according to the invention on the torsion bar and FIG
Fig. 7 das elektische Äquivalenz-Schaltbild zur Verdeutlichung der Dämpfungswirkung auf den Stab.7 shows the electrical equivalent circuit diagram to illustrate the damping effect on the rod.
Zunächst sei der Aufbau des Oszillators beschrieben:First, the structure of the oscillator is described:
Die Zeichnungen und insbesondere die Figuren 1 bis 4 zeigen einen Torsionsstaboszillator, der als optischer Zerhacker dienen soll, um einen Energiestrahl zu modulieren, in Impulse umzuwan-The drawings, and in particular FIGS. 1 to 4, show a torsion bar oscillator which serves as an optical chopper should, in order to modulate an energy beam, convert it into impulses
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dein, abzutasten, abzulenken oder anderweitig zu steuern, der auf ein durch den Oszillator in Schwingung versetztes optisches Element auftrifft.your, feel, distract or otherwise steer the impinges on an optical element set in oscillation by the oscillator.
Der Oszillator weist einen nach oben ragenden Torsionsstab 1O auf, dessen unteres Ende in einer metallischen Grundplatte 11 verankert ist, die ihrerseits auf einer isolierenden Halteplatte 12 ruht. An den Längsseiten der Grundplatte 11 ist ein Paar von aufrechtstehenden Rahmenelementen 13 und 14 befestigt, die aus einem Material mit weichmagnetischen Eigenschaften,beispielsweise aus Eisen,bestehen. Die Enden dieser Elemente sind mit nach innen gebogenen Ansätzen 13A, 13B, 14A und 14B versehen, die als Polschuhe dienen und magnetische Luftspalte festlegen. In Figur ist nur ein solcher Luftspalt 15 gezeigt, während der andere Luftspalt 16 in Figur 3 zu sehen ist.The oscillator has an upwardly projecting torsion bar 1O on, the lower end of which is anchored in a metallic base plate 11, which in turn is on an insulating holding plate 12 rests. On the longitudinal sides of the base plate 11, a pair of upright frame members 13 and 14 is attached, which from a material with soft magnetic properties, for example made of iron. The ends of these elements are provided with inwardly bent lugs 13A, 13B, 14A and 14B, which as Serve pole pieces and define magnetic air gaps. In the figure, only one such air gap 15 is shown, while the other Air gap 16 can be seen in FIG.
Zwischen den Rahmenelementen 13 und 14 und im Bereich der Luftspalte stehend ist ein Paar von permanentmagnetischen Platten 17 und 18 eingepaßt, deren Enden mit den Rahmenelementen in Kontakt stehen, so daß die Ansätze 13A bzw. 13B und 14A bzw. 14B in der in Figur 4 angedeuteten Weise polarisiert werden. D.h. die Ansätze 13A bzw. 13B werden zu einem Süd- bzw. die Ansätze 14A und 14B zu einem Nordpol, so daß sich die Magnetflußlinien über die Luftspalte 15 bzw. 16 erstrecken.Between the frame elements 13 and 14 and in the area of the air gaps standing a pair of permanent magnetic plates 17 and 18 is fitted, the ends of which with the frame members in Are in contact so that the lugs 13A or 13B and 14A or 14B can be polarized in the manner indicated in FIG. I.e. the approaches 13A and 13B become a south or the Approaches 14A and 14B to a north pole so that the lines of magnetic flux extend over the air gaps 15 and 16, respectively.
Quer zum Stab 10 und dazu symmetrisch ist ein Weicheisen-Antriebsanker 19 (Figuren 2 und 5) vorhanden, dessen einander gegenüberliegende Enden in den Luftspalten 15 bzw. 16 zu stehen kommen. Der Anker ist an einem Punkt befestigt, der in der Nähe des Fußpunkts des Stabs liegt. Am Stabkopf 1OA, d.h. am freien Enc'e des Stabs 10 ist ein zweiter kürzerer Anker 20 in ähnlicher Weise gehaltert, der auf die gleiche Vertikalebene ausgerichtet ist wie der untere Anker.A soft iron drive anchor is transverse to the rod 10 and symmetrical to it 19 (Figures 2 and 5) are present, the opposite ends of which stand in the air gaps 15 and 16, respectively come. The anchor is attached to a point near the base of the rod. At the rod head 10A, i.e. at the free Enc'e of the rod 10, a second shorter armature 20 is supported in a similar manner, which is aligned with the same vertical plane is like the lower anchor.
Über der Stabspitze 1OA ist ein Reflektionsspiegel 21 befestigt, der bei Torsionsschwingbewegungen des Stabs 10 um die Längsachse des Stabs hin- und hergedreht wird, so daß ein auf ihn auftreffender Licht- oder anderer Energiestrahl in einer GeschwindigkeitA reflection mirror 21 is attached over the tip of the rod 10A, which is rotated back and forth during torsional oscillating movements of the rod 10 about the longitudinal axis of the rod, so that a strikes it Beam of light or other energy beam at one speed
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periodisch abgelenkt wird, die durch die Resonanzkennwerte des Oszillators bestimmt ist. Der Spiegel bewirkt also eine Ablenkung, Tastung oder Zerhackung des auftreffenden Strahls. Die Beschaffenheit des optischen Elements bildet im vorliegenden Zusammenhang keinen Teil der Erfindung.is periodically deflected by the resonance parameters of the oscillator is determined. The mirror causes a deflection, scanning or chopping of the incident beam. In the present context, the nature of the optical element does not form part of the invention.
Ein Ende des Ankers 19 ist durch eine erste feststehende Antriebsspule 22 umschlossen, die mit den Ansätzen 13A und 14A verklebt oder auf andere Weise festverbunden ist. Das andere Ende des Ankers 19 umgibt eine zweite Antriebsspule 23, die in analoger Weise an den Ansätzen 13B und 14B befestigt ist. An einer Rückwand 24 (Figur 1) ist nahe dem oberen Ende ein Abtast-Elektromagnet 25 befestigt. Dieser Elektromagnet wirkt mit einem Ende des oberen Ankers 20 zusammen und besteht aus einer einen magnetischen Kern umschließenden Spule. Vibriert der Anker 20, so wird im Elektromagneten 25 eine Spannung induziert. Der Antriebsanker 19 bildet zusammen mit den Antriebsspulen 22 und 23 den Motor des Oszillators. One end of the armature 19 is through a first fixed drive coil 22 enclosed, which is glued to the lugs 13A and 14A or firmly connected in some other way. The other The end of the armature 19 is surrounded by a second drive coil 23 which is fastened in an analogous manner to the lugs 13B and 14B. A scanning electromagnet 25 is attached to a rear wall 24 (FIG. 1) near the upper end. This electromagnet works with one end of the upper armature 20 and consists of a coil surrounding a magnetic core. Vibrates the armature 20, a voltage is induced in the electromagnet 25. The drive armature 19, together with the drive coils 22 and 23, forms the motor of the oscillator.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des Oszillators erläutert:The operating principle of the oscillator is explained below:
Anhand der Figur 4 läßt sich die Arbeitsweise des Oszillators am besten darstellen. Wie schematisch dargestellt, sind die Antriebsspulen 22 und 2 3 des Motors an einen externen Speisegenerator 26 angeschlossen, der ein Antriebssignal liefert, dessen Frequenz im wesentlichen der Eigenfrequenz des Oszillators entspricht.The mode of operation of the oscillator can best be illustrated with the aid of FIG. As shown schematically, the Drive coils 22 and 2 3 of the motor are connected to an external supply generator 26 which supplies a drive signal, whose frequency essentially corresponds to the natural frequency of the oscillator.
Beim Gegenstand des oben erwähnten US-Patents ist der Speisegenerator als elektronischer Verstärker aufgebaut, dessen Eingang mit der Abtastspule 25 verbunden ist, v/ährend der Ausgang an die Antriebsspulen 22 und 23 angeschlossen ist, so daß sich eine positive Rückkopplung oder regenerative Schaltung ergibt, die eine Leistung abgibt, deren Frequenz durch die mechanische Resonanzfrequenz des Torsionsoszillators bestimmt ist.The subject of the above-mentioned US patent is the feed generator constructed as an electronic amplifier, the input of which is connected to the sensing coil 25, while the output is connected to drive coils 22 and 23 so that there is positive feedback or regenerative switching, which delivers a power, the frequency of which is determined by the mechanical resonance frequency of the torsional oscillator.
/ndert sich die mechanische Resonanzfrequenz des Oszillators, so/ If the mechanical resonance frequency of the oscillator changes, so
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ändert sich auch die durch die regenerative Schaltung erzeugte Leistung und mithin läßt sich die Schwingungsamplitude aufrechterhalten .the power generated by the regenerative circuit also changes, and thus the oscillation amplitude can be maintained .
Für viele praktische Anwendungsfälle jedoch ist diese erwähnte Rückkopplungsanordnung nicht geeignet, beispielsweise wenn der Torsionsstaboszillator als Abtaster betrieben wird, dem ein Rechnersystem zugeordnet ist, bei dem einzelne Funktionen durch einen Taktimpulsgenerator gesteuert sind, der Impulse in einer ganz bestimmten Wiederholungsfolge abgibt. Der Abtaster soll dabei zur Ablenkung eines Lichtstrahls so arbeiten, daß binärcodierte Markierungen und Impulsfolgen entstehen, die als Rechnereingangssignale lesbar sind. Um den Betrieb des Abtasters mit dem Rechner zu synchronisieren, ist es in diesem Fall erforderlich, den Abtaster extern durch ein Antriebssignal zu betätigen, das durch einen unter Steuerung des Taktimpulsgenerators stehenden Generator geliefert wird. Damit entstehen leicht die eingangs erwähnten Probleme, da ein vergleichsweise großer Unterschied zwischen der Betriebsfrequenz des Oszillators und der Frequenz des Antriebssignals auftreten kann. Das Antriebssignal kann in der Praxis als Sinus- oder Rechteckwelle oder auch in pulsierender Form vorliegen.For many practical applications, however, this is mentioned Feedback arrangement not suitable, for example when the torsion bar oscillator is operated as a scanner, the one Computer system is assigned, in which individual functions are controlled by a clock pulse generator, the pulses in a very specific repetition sequence. The scanner should work to deflect a light beam in such a way that it is binary-coded Markings and pulse trains are created that can be read as computer input signals. To the operation of the scanner to synchronize with the computer, in this case it is necessary to operate the scanner externally by means of a drive signal, which is supplied by a generator under control of the clock pulse generator. This easily creates the Problems mentioned at the beginning, since a comparatively large difference between the operating frequency of the oscillator and the Frequency of the drive signal can occur. In practice, the drive signal can be a sine or square wave or in pulsating form.
Bevor erläutert wird, wie sich diese Schwierigkeiten durch eine geeignete Erniedrigung des Q-Werts des Torsionsoszillators vermeiden lassen, sei zunächst dargestellt, wie das Antriebssignal den Oszillator betätigt: Aus Figur 4 ist ersichtlich , daß die durch die Ansätze13A und 14A bzw. 13B und 14B gebildeten magnetischen Polstücke durch die Permanentmagnete 17 und 18 so polarisiert sind, daß die Ansätze 13A und 13B beide Südpole sind, während sich für die Ansätze 14A und 14B beidesmal Nordpole ergeben.Before explaining how these difficulties can be overcome by a avoid appropriately lowering the Q value of the torsional oscillator let, let us first show how the drive signal actuates the oscillator: From Figure 4 it can be seen that the magnetic formed by the lugs 13A and 14A and 13B and 14B, respectively Pole pieces are polarized by the permanent magnets 17 and 18 so that the lugs 13A and 13B are both south poles, while North poles both result for approaches 14A and 14B.
Wird angenommen, daß ein den Spulen 22 und 23 zugeführter Antriebsimpuls im Betrachtungsmoment positiv ansteigt, so wird der Motoranker 19 so-polarisiert, daß das im Luftspalt 15 liegende Ende Süd und das andere im Luftspalt 16 stehende Ende Nord wird. Damit wird das im Luftspalt 15 stehende Ankerende zur NordseiteAssume that a drive pulse applied to the coils 22 and 23 increases positively at the moment of observation, the motor armature 19 is polarized in such a way that the one located in the air gap 15 The end south and the other end in the air gap 16 becomes north. The anchor end standing in the air gap 15 thus becomes the north side
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angezogen, während das gegenüberliegende Ankerende im Luftspalt 16 zur Südseite gezogen wird und mithin ein im Uhrzeigersinn wirkendes Drehmoment am Ankerpunkt auf den Torsionsstab 10 entsteht. Geht der Antriebsimpuls dagegen ins Negative, so wirkt die resultierende Kraft im Gegenuhrzeigersinn. In jedem Fall jedoch unterliegt der Stab einer Torsionskraft.tightened, while the opposite anchor end is pulled in the air gap 16 to the south side and therefore a clockwise acting torque at the anchor point on the torsion bar 10 arises. If, on the other hand, the drive pulse goes negative, then it works the resulting force counterclockwise. In any case, however, the rod is subject to a torsional force.
Die Eigenresonanzfrequenz der Oszillators ist bestimmt durch die Momente des Motorankers 19,des Ankers 20 und des Reflektors 21, sowie durch die physikalischen Parameter und den Young'sehen Elastizitätsmodul des Torsionsstabs 10.The natural resonance frequency of the oscillator is determined by the moments of the motor armature 19, the armature 20 and the reflector 21, as well as by the physical parameters and Young's view Modulus of elasticity of the torsion bar 10.
Um den Temperatureinfluß auf die Stababmessungen zu verkleinern, kann der Stab aus einer Legierung hergestellt werden, deren Elastizität und Körperabmessungen bei Temperaturänderungen innerhalb eines vergleichsweise weiten Bereichs im wesentlichen unbeeinflußt bleiben. Wegen der großen Steifheit vieler Metalle mitTo reduce the influence of temperature on the bar dimensions, the rod can be made of an alloy whose elasticity and body dimensions with temperature changes within a comparatively wide area remain essentially unaffected. Because of the great rigidity of many metals with
Null-Temperaturkoeffizient jedoch kann es erforderlich sein, Legierungen wie Beryllium-Kupfer zu verwenden, die eine größere Temperaturempfindlichkeit aufweisen. In diesem Fall wird die Betriebsfrequenz des Oszillators unvermeidbarerweise durch Temperaturänderungen beeinflußt.Zero temperature coefficient, however, it may be necessary to use alloys such as beryllium copper, which have a larger one Have temperature sensitivity. In this case, the operating frequency of the oscillator inevitably becomes through Affects temperature changes.
Die Torsionsbewegung des Stabs auf seine Resonanzfrequenz bewirkt, daß der Anker 20 mit gleicher Geschwindigkeit schwingt, so daß in der Abtastspule 25 eine Signalspannung induziert wird. Die Frequenz dieser Spannung hängt von der Vibrationsfrequenz des Stabs ab und die Amplitude ist proportional zur Amplitude der Spiegelablenkung. In der Praxis läßt sich dieses Signal auch über ein Paar von Abtastspulen gewinnen, die an gegenüberliegenden Seiten des Ankers 20 angeordnet und in Reihe geschaltet sind. Diese Signalspannung läßt sich durch ein Meßgerät 27 (Figur 4) anzeigen und als Steuersignal verwenden, das über eine elektronische Regelvorrichtung 28 den Betrieb des externen Generators 26 bestimmt.The torsional movement of the rod to its resonance frequency causes that the armature 20 vibrates at the same speed, so that a signal voltage is induced in the sensing coil 25. The frequency of this voltage depends on the vibration frequency of the Rod and the amplitude is proportional to the amplitude of the mirror deflection. This signal can also be used in practice win through a pair of sensing coils located on opposite sides of armature 20 and connected in series. This signal voltage can be measured by a measuring device 27 (Figure 4) and use it as a control signal that controls the operation of the external generator via an electronic control device 28 26 determined.
Die Regelvorrichtung 28 spricht auf das Steuersignal von derThe control device 28 responds to the control signal from the
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Abtastspule 25 an und variiert die Amplitude des Generator-Ausgangssignals so, daß eine konstante Oszillator-Signalamplitude aufrechterhalten bleibt. In der Regelvorrichtung wird also die Steuersignalspannung der Spule 2 5 gegen einen Einstellpunkt oder eine Bezugsspannung verglichen, um ein Fehlersignal zu gewinnen, das vom Grad und der Richtung der Abweichung der Oszillatorampiitude von einem Bezugspegel abhängt. Das Fehlersignal wird dem Generator so zugeführt, daß sich eine Null-Tendenz für das Fehlersignal selbst ergibt und dadurch der gewünschte Amplitudenpegel aufrechterhalten wird.Sensing coil 25 and varies the amplitude of the generator output signal so that a constant oscillator signal amplitude is maintained. So in the control device the control signal voltage of the coil 2 5 is compared against a set point or a reference voltage in order to obtain an error signal, which depends on the degree and the direction of the deviation of the oscillator amplitude from a reference level. The error signal is fed to the generator in such a way that there is a zero tendency for the error signal itself and thus the desired one Amplitude level is maintained.
Es ist in diesem Zusammenhang ohne Bedeutung, daß zwei Antriebsspulen vorgesehen sind. Für eine billigere Ausführungsform des Oszillators kann auch ein einziger Anker 19 mit einer einzigen Antriebsspule an einem Ende und einer Abtastspule am anderen Ende vorgesehen sein. Diese Ausführungsform ist hinsichtlich des Wirkungsgrads nicht so gut wie die oben beschriebene. Sie kann jedoch für einige Anwendungsfälle ausreichend sein.In this context it is of no importance that two drive coils are provided. For a cheaper version of the The oscillator can also have a single armature 19 with a single drive coil at one end and a sensing coil at the other Be provided at the end. This embodiment is in terms of Efficiency not as good as that described above. However, it may be sufficient for some use cases.
Verstärkung der Schwingbewegung des Torsionsstabs:Reinforcement of the oscillating movement of the torsion bar:
Um eine große Schwingungsamplitude für den Spiegel zu erhalten, ist ersichtlicherweise eine große Torsionsschwingung des freien Stabendes erforderlich. Würde die Antriebskraft über den Anker im Bereich des freien Stabendes angreifen, so wäre ein relativ großer Luftspalt erforderlich^ um die Bewegung des Ankers zu ermöglichen. Bei einem großen Luftspalt jedoch ergibt sich keine hohe Magnetflußdichte, so daß eine solche Anordnung ineffektiv wäre oder überhaupt nicht funktionieren könnte.In order to obtain a large oscillation amplitude for the mirror, it can be seen that there is a large torsional oscillation of the free one Rod end required. If the driving force were to act via the armature in the area of the free end of the rod, it would be relative large air gap required ^ to allow the armature to move. However, if the air gap is large, the magnetic flux density will not be high, so that such an arrangement is ineffective would or might not work at all.
Bei der konstruktiven Anordnung gemäß der Erfindung greift der Anker 19 in der Nähe des Fußpunkts der Torsionsstabs an, wobei mit relativ schmalen Luftspalten gearbeitet werden kann, so daß sich eine hohe Magnetflußdichte erzielen läßt. Die Verschiebung des Antriebsankers ist relativ klein, jedoch ist andererseits die Schwingbewegung des freien Stabendes ziemlich groß, da sich aufgrund des Aufbaus eine mechanische Verstärkung ergibt.In the structural arrangement according to the invention, the engages Anchor 19 in the vicinity of the base of the torsion bar, it being possible to work with relatively narrow air gaps, so that a high magnetic flux density can be achieved. The displacement of the drive armature is relatively small, but on the other hand is the oscillating movement of the free end of the rod is quite large, since the structure results in mechanical reinforcement.
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Wie sich aus der Skizze der Figur 5 ersehen läßt, entspricht der Wert d dem kurzen Abstand zwischen dem Befestigungspunkt des Antriehsankers 19 und dem Fußpunkt des Stabs, während der Wert D den langen Abstand zv/ischen dem Ankerangriffspunkt und dem freien Ctabende 1OA anzeigt. Mit dem Winkel 0 ist der Schwingungswinkel des Stabs am Ankerangriffspunkt und mit dem Winkel θ der Schwingwinkel am freien Stabende bezeichnet. Da die Beziehung 0/Θ = D/d gilt, ist ersichtlich, daß der Winkel θ im Verqleich zum Winkel 0 umso größer wird, je größer der Unterschied zwischen d und D ist. Wird der Anker 19 nahe dem Stabfußpunkt angeordnet, so wird es möglich, den Torsionsstab mit relativ kleiner Schwingbewegung anzutreiben und gleichwohl einen großen Schwingwinkel für den am freien Stabende befestigten Spiegel zu erhalten.As can be seen from the sketch in FIG. 5, the value d corresponds to the short distance between the fastening point of the Drive anchor 19 and the base of the rod, while the value D the long distance between the anchor point of application and the free Ctabende 1OA indicates. With the angle 0 is the oscillation angle of the rod at the anchor point of application and with the angle θ the oscillation angle at the free end of the rod. Because the relationship 0 / Θ = D / d applies, it can be seen that the greater the difference, the greater the angle θ compared to the angle 0 between d and D. If the anchor 19 is arranged near the rod base, it becomes possible to use the torsion rod with relative To drive small oscillating movement and at the same time a large oscillation angle for the attached to the free end of the rod Mirror.
Wird der Torsionsstab auf einem höheren Eigenfrequenzwert erregt, so ergeben sich ersichtlicherweise höhere Betriebsfreguenzen. Bei Resonanzbedingungen höherer Ordnung ergibt sich beispielsweise im Mittenbereich des Stabs ein Schwingungsknoten und der Abtastanker arbeitet dann nicht in Phase mit dem Antriebsanker. Typische Verschiebungswerte für den Spiegel liegen bei 10° von Spitze zu Spitze bei 2 000 Hz und bei 3° bei 10 000 Hz.If the torsion bar is excited at a higher natural frequency value, this obviously results in higher operating frequencies. In the case of higher order resonance conditions, for example in the middle of the bar a vibration node and the The scanning armature then does not work in phase with the drive armature. Typical shift values for the mirror are around 10 ° peak to peak at 2,000 Hz and at 3 ° at 10,000 Hz.
Die Dämpfung:The damping:
Wie bereits erwähnt, ist es erwünscht, den Q-Wert des Torsionsoszillators zu vermindern, um die mechanische Bandbreite des Oszillators zu verbreitern, womit sich eine geringere Frequenzselektivität ergibt. Diese gewünschte Verminderung des Q-Werts wird durch Dämpfung des Torsionsstabs 10 erreicht. Diese Dämpfung ist in Figur 6 veranschaulicht. Sie wird dadurch erreicht, daß die wirksame Kopplung zwischen dem sich verjüngenden Abschnitt 10X des Stabs oberhalb des Befestigungspunkts des Ankers und dem im Durchmesser gleichbleibenden Abschnitt 1OY zwischen diesem Ankerangriffspunkt und dem Fußpunkt des Stabs vergrößert wird. Diese Erhöhung der Kopplung wird in einer Weise erreicht, die in vorteilhafter Weise auf die anderen Parameter des OszillatorsAs mentioned earlier, it is desirable to have the Q value of the torsional oscillator to widen the mechanical bandwidth of the oscillator, which results in a lower frequency selectivity results. This desired reduction in the Q value is achieved by damping the torsion bar 10. This attenuation is illustrated in FIG. It is achieved in that the effective coupling between the tapered section 10X of the rod above the anchor's attachment point and the constant in diameter section 10Y between this anchor point of application and the base of the rod is increased. This increase in coupling is achieved in a manner that advantageously affects the other parameters of the oscillator
5 0 9 8 8 6/10825 0 9 8 8 6/1082
•253292b• 253292b
- 12 abgestimmt ist.- 12 is matched.
Aufgrund dieser Kopplung wird ein Teil der am freien Ende des Stabs.an dem der Spiegel oder das Lastelement befestigt sind, über den Punkt P auf den mit dem Stab verbundenen Motor übertragen, wo über den Absorptionseffekt des magnetischen Felds eine Dämpfung bewirkt wird. Der quantitative Wert der Dämpfung ist eine Funktion des Kopplungsgrads, der Stärke des Magnetfelds und der Geometrie des Luftspalts.Due to this coupling, a part of the at the free end of the rod to which the mirror or the load element are attached, transmitted via point P to the motor connected to the rod, where via the absorption effect of the magnetic field a damping is effected. The quantitative value of the attenuation is a function of the degree of coupling, the strength of the magnetic field and the geometry of the air gap.
Der Einfluß dieser Kopplung auf die Dämpfung läßt sich am besten durch Betrachtung eines elektrischen Ersatzschaltbilds für den Torsionsstab und seine mit Masse behaftete Belastung, also den Spiegel darstellen. Ein solches Ersatzschaltbild mit zwei geschlossenen elektrischen Schleifen zeigt die Figur 7. Für eine Grundschwingung läßt sich die resultierende Lastträgheit des Stabs durch eine äquivalente Induktivität LM und eine dazu parallel liegende Kapazität CT darstellen, die die Federkonstante des sich verjüngenden Stababschnitts 1OX representiert. Die anderen und höher frequenten Betriebszustände werden durch eine der Trägheit des Antriebsankers äquivalente Induktivität LA sowie durch eine Kapazität CST wiedergegeben, die der Federkonstante des geradlinigen, also nichtkonischen Stababschnitts 1OY entspricht.The influence of this coupling on the attenuation can best be seen by considering an electrical equivalent circuit diagram for the Torsion bar and its weight-bearing load, i.e. represent the mirror. Such an equivalent circuit with two closed Figure 7 shows electrical loops. For a fundamental oscillation, the resulting load inertia of the Represent the rod by an equivalent inductance LM and a parallel capacitance CT, which is the spring constant of the tapered rod portion 1OX. The other and higher frequency operating states are through an inductance LA equivalent to the inertia of the drive armature as well as a capacitance CST, which is the spring constant of the straight, i.e. non-conical rod section 1OY corresponds.
Das Hooke'sche Gesetz lehrt u.a. daß die Spannung in einem Torsionsstab oder in irgend einer anderen Feder direkt proportional ist zur aufgewendeten, die Verschiebung verursachenden Kraft (vorausgesetzt daß die Elastizitätsgrenze des Torsionsstabs oder allgemein der Feder nicht überschritten wurde). Der Proportionalitätsfaktor zwischen der Verschiebung und der Spannung wird als Federkonstante bezeichnet. Der Kopplungsgrad zwischen den Abschnitten 1OX und 1OY des Torsionsstabs 10 ist durch das Verhältnis ihrer Federkonstanten bestimmt. Eine maximale Kopplung ergibt sich, wenn die Federkonstanten gleich sind.Hooke's law teaches, among other things, that the tension in a torsion bar or in any other spring is directly proportional to the force that causes the displacement (provided that the elastic limit of the torsion bar or the spring in general has not been exceeded). The proportionality factor between the displacement and the tension is called the spring constant. The degree of coupling between the sections 10X and 10Y of the torsion bar 10 is determined by the ratio of their spring constants. A maximum coupling results when the spring constants are the same.
Werden diese Federkonstanten, deren elektrisches Analogon jeweils einem Kondensator entspricht, hinsichtlich ihres Werts einanderIf these spring constants, the electrical analogue of which corresponds to a capacitor, are mutually exclusive in terms of their value
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angenähert, so wird der Kopplungsgrad zwischen dem die Last darstellenden Spiegel und dem Antriebsanker erhöht. Diese Erhöhung des Kopplungsgrads für irgendeine gegebene Stabfrequenz wird durch eine Erhöhung der Steife des verjüngten Abschnitts erreicht, d.h. insbesondere durch Verminderung der Neigung oder Verjüngung dieses Abschnitts und durch Verminderung der Durchmessers des gradlinigen, also unverjüngten Abschnitts 1OY. Die Verhältnisse lassen sich aus der folgenden Beziehung übersehen:approximated, the degree of coupling between the mirror representing the load and the drive armature is increased. This increase the degree of coupling for any given rod frequency is determined by increasing the stiffness of the tapered section achieved, i.e. in particular by reducing the slope or tapering of this section and by reducing the diameter of the straight, i.e. untapered section 1OY. The relationships can be overlooked from the following relationship:
In dieser Gleichung sind mitIn this equation are with
w die resultierende Frequenz, W1 die Winkelfrequenz des verjüngten Abschnitts, w„ die Winkelfrequenz des geradlinigen unverjüngtenw is the resulting frequency, W 1 is the angular frequency of the tapered section, w "is the angular frequency of the straight, untapered section
Abschnitts,
w die verkoppelte WinkelfrequenzSection,
w is the coupled angular frequency
bezeichnet. Erhöht sich der Kopplungsgrad, so wird mehr Energie von der Spiegellast durch den Motor absorbiert, so daß sich der Q-Wert des Oszillators erniedrigt und die mechanische Bandbreite erhöht. Die durch die magnetische Vorspannung entwickelte Kraft wird optimiert, um einen maximalen Dämpfungseffekt zu erzielen. Dies wird vor allem durch geeignete Auswahl des Arbeitspunkts des magnetischen Kreises derart erreicht, daß dieser auf dem Punkt des Energiemaximums der Vorspannungsmagnete arbeitet.designated. As the degree of coupling increases, more energy from the mirror load is absorbed by the motor, so that the Q value of the oscillator decreased and the mechanical bandwidth increased. The force developed by the magnetic bias is optimized to achieve a maximum dampening effect. This is achieved primarily through a suitable selection of the operating point of the Magnetic circuit achieved in such a way that it works at the point of maximum energy of the bias magnets.
Obgleich die Erfindung anhand eines als optischer Abtaster arbeitenden Oszillators beschrieben wurde, bei dem ein optisches Element einer Vibrationswirkung hoher Amplitude und konstanter Frequenz unterworfen ist, ist in Verbindung mit den oben gegebenen Erläuterungen ersichtlich, daß sich die Erfindung auch für zahlreiche andere Anwendungsfälle eignet.Although the invention is based on one working as an optical scanner Oscillator has been described in which an optical element has a vibration effect of high amplitude and constant frequency is subject, it can be seen in connection with the explanations given above that the invention is also applicable to numerous other use cases.
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